專利名稱：隧道無線激光放樣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地下工程開挖激光放樣裝置，更具體涉及一種隧道無線激光放樣裝置，尤其是鉆爆法隧道施工中開挖斷面輪廓線和炮孔定位放樣的激光放樣裝置。
背景技術(shù)：
目前在地下洞庫隧道網(wǎng)絡(luò)的鉆爆法施工中，開挖工作面的定位放樣普遍處于人工儀器中線測量、鋼尺定位炮孔的狀態(tài)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作效率低，不能滿足龐大的工程任務(wù)在時(shí)間上的緊迫要求，而且定位放樣精度差，容易造成超欠挖，影響施工質(zhì)量、進(jìn)度和造價(jià)。
利用激光投射進(jìn)行放樣施工是一種很好的解決方式。目前的激光投射放樣技術(shù)中，激光指向儀是簡單實(shí)用的一種，利用安置在隧道頂部和邊墻上的激光器，發(fā)射和隧道中線重合或者平行的激光光束，從而定位隧道的中線位置。該技術(shù)具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)射可見光，不占用隧道交通空間影響施工等特點(diǎn)，能指示隧道掘進(jìn)的方向和坡度、標(biāo)定隧道中線位置，但是該儀器僅能指示中線，不能定位輪廓線和炮孔，難以處理彎曲的隧道，使用中尚需人工來確定丈量每一個(gè)炮孔，工作量很大，且不夠精確。
近來出現(xiàn)了一種能靈活地進(jìn)行隧道斷面激光放樣的技術(shù)——激光透鏡掃描投射放樣技術(shù)，例如中國發(fā)明專利公開號CN1262378A于2000年8月9日公開的激光隧道斷面放樣儀。該技術(shù)是通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)物鏡平移，改變儀器內(nèi)固定激光器的激光束出射方向進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)投射指示出斷面輪廓和開挖斷面上定位輪廓線和多個(gè)炮眼點(diǎn)的功能。這一類技術(shù)及相應(yīng)的儀器在實(shí)際應(yīng)用中存在一些不足之處自身定位較為困難，需要測量儀器配合，難以自由設(shè)站，比如只能放在中樁點(diǎn)上，占用了隧道交通空間，影響隧道施工；處理曲線隧道不方便；由于物鏡的相對口徑有限，掃描范圍和距離受一定限制，例如需要放樣的隧道斷面若較大，則放樣儀必須遠(yuǎn)離開挖工作面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供一種隧道無線隧道激光放樣裝置，該儀能實(shí)現(xiàn)在隧道和其它地下工程施工中快速地激光定位放樣；在使用中可以讓儀器自身簡便地定位，且激光掃描放樣范圍不受放樣位置和距離限制，不影響隧道施工交通，定位放樣精度高，可以簡便自動(dòng)地處理任意的曲線隧道、任意斷面形態(tài)及鉆爆方案。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施該放樣裝置由計(jì)算機(jī)、伺服型電子全站儀、半導(dǎo)體激光器、串口無線通信器組成。計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有控制軟件，計(jì)算機(jī)的串行口和伺服型電子全站儀的串行口分別連接上串口無線通信器，兩個(gè)串口無線通信器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信號的連接傳輸；半導(dǎo)體激光器安裝在全站儀測量轉(zhuǎn)動(dòng)部件的內(nèi)部，激光光束從全站儀測量轉(zhuǎn)動(dòng)部件上開孔投射出來。在計(jì)算機(jī)軟件控制下，放樣裝置通過無線通信控制全站儀的測量進(jìn)行自身定位，通過控制全站儀轉(zhuǎn)動(dòng)使得激光投射到隧道開挖工作面上，達(dá)到放樣目的。計(jì)算機(jī)軟件已進(jìn)行軟件著作權(quán)登記，軟件名稱為“隧道掘進(jìn)自動(dòng)定位系統(tǒng)”，軟件著作權(quán)登記號2007SR01366。其工作流程如下(1)系統(tǒng)初始化，即開啟計(jì)算機(jī)、無線通信器、激光器和全站儀，使它們處于工作狀態(tài)，并確定無線通信器和全站儀正常工作；(2)用全站儀觀測已知的后視點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算自身位置(北、東和高程)和方位(北方向)；(3)在圖形化界面下輸入整個(gè)隧道的軸線幾何數(shù)據(jù)，斷面的形態(tài)數(shù)據(jù)以及鉆爆方案(斷面炮孔設(shè)計(jì)方案)，包括直線和圓弧曲線型的任意多段隧道，任意形狀的開挖斷面和炮孔位置；(4)控制全站儀旋轉(zhuǎn)、測量當(dāng)前開挖工作斷面的距離和測量點(diǎn)的角度，對比已經(jīng)輸入的隧道軸線三維數(shù)據(jù)，計(jì)算開挖斷面輪廓的特征點(diǎn)(起拱點(diǎn)，頂點(diǎn)和邊墻正負(fù)零點(diǎn)等)以及炮孔的三維坐標(biāo)；(5)根據(jù)放樣裝置自身定位的數(shù)據(jù)，計(jì)算開挖斷面輪廓的特征點(diǎn)及炮孔對應(yīng)的全站儀旋轉(zhuǎn)水平H角和垂直V角；控制全站儀旋轉(zhuǎn)，使激光束投射到需要定位的輪廓線點(diǎn)和炮孔位置，指導(dǎo)操作人員標(biāo)記、鉆孔。
(6)放樣全部完成后，輸出放樣的結(jié)果圖形和記錄。
本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn)和效果①放樣系統(tǒng)自身定位簡便；由于采用了計(jì)算機(jī)軟件分析，利用全站儀高精度測量已知點(diǎn)，可以快速地確定系統(tǒng)本身的三維坐標(biāo)，操作簡便，對曲線復(fù)雜的隧道放樣十分有利；因此系統(tǒng)可以自由設(shè)站，在施工中可以將放樣系統(tǒng)安裝在邊墻高處或頂部，不影響隧道內(nèi)的施工車輛交通，節(jié)約施工時(shí)間。②采用的無線通信方案使放樣系統(tǒng)可以安裝在任意位置，降低了對隧道內(nèi)交通的影響；同時(shí)使得工作人員可以遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行操作，更為安全。③放樣精度高，由于采用了全站儀作為系統(tǒng)測量和轉(zhuǎn)動(dòng)定位的機(jī)械主體，測角精度可以達(dá)到1秒及以上，由此計(jì)算，在400米處斷面放樣精度約可達(dá)1mm。④內(nèi)置的激光器，不影響電子全站儀的功能，使得全站儀這一施工和測繪單位原有的設(shè)備可以照常使用，從這一角度講激光放樣系統(tǒng)的成本很低；同時(shí)可以360度大范圍旋轉(zhuǎn)，放樣適應(yīng)性強(qiáng)。⑤系統(tǒng)適應(yīng)于復(fù)雜鉆爆方案，放樣速度快。在室內(nèi)計(jì)算機(jī)軟件上事先處理、存儲隧道斷面的鉆爆方案，現(xiàn)場施工時(shí)以圖形界面操作，簡明、快捷，節(jié)約了施工時(shí)間。


圖1為一種隧道無線激光放樣裝置示意圖。
圖2為一種隧道無線激光放樣裝置軟件功能流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明如圖1所示，系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)1、全站儀2、半導(dǎo)體激光器3和無線通信器4和5組成。計(jì)算機(jī)1內(nèi)裝有控制軟件，計(jì)算機(jī)1與無線通信器4通過串行口7連接，全站儀2與無線通信器5通過串行口8連接，無線通信器4和5為配套雙向傳送通信器，計(jì)算機(jī)1的控制信號和全站儀2的數(shù)據(jù)信號通過無線通信器4和5譯碼、傳送。具體實(shí)施時(shí)，計(jì)算機(jī)采用具備串行口的便攜機(jī)或臺式機(jī)；全站儀采用伺服型電子全站儀，可選用的型號有Topcon 800系列、光譜FOCUS 10系列、Trimble 5600系列等；無線通信器采用串口無線數(shù)傳單元，可選用的型號有Intech便攜端口HPS-120、捷易無線數(shù)據(jù)傳輸終端和力創(chuàng)LQ9200等；半導(dǎo)體激光器3安裝在全站儀2的測距轉(zhuǎn)動(dòng)頭6內(nèi)部，激光器3光軸與全站儀2測量光軸平行，安裝位置使得激光光束可以從全站儀2原有孔或者另行開孔投射出來，激光器3光軸調(diào)整到與全站儀2的測量光軸平行。半導(dǎo)體激光器采用紅光(波長在650nm左右)或者綠光激光器(波長在532nm左右)、發(fā)散角小，體積適合于全站儀內(nèi)置即可，激光器的功率根據(jù)使用的隧道空氣透明程度進(jìn)行選擇，20～50mw一般可滿足鉆爆法開挖現(xiàn)場500米投射需求，可選用型號有GP461激光定靶器，HqL04激光鐳射瞄準(zhǔn)器等。
激光放樣系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)1控制下工作的，其具體過程根據(jù)圖2說明如下，其步驟是(1)系統(tǒng)初始化9，即開啟計(jì)算機(jī)1、無線通信器4與5、激光器3和全站儀2，使之處于工作狀態(tài)，然后計(jì)算機(jī)向全站儀2發(fā)送無線應(yīng)答請求10，以確定無線通信器4與5和全站儀2是否正常工作；軟件判斷全站儀是否正常應(yīng)答11，如果正常應(yīng)答，執(zhí)行了旋轉(zhuǎn)操作，則可進(jìn)入下一步驟；如果軟件沒有接收到正常應(yīng)答，則進(jìn)入出錯(cuò)處理12，提示排除無線通信器或者全站儀的不正常工作狀態(tài)；(2)用全站儀觀測已知的后視點(diǎn)(北、東和高程數(shù)據(jù)已知)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算自身位置(北、東和高程)和方位(北方向)系統(tǒng)自身定位13；具體操作為，輸入兩個(gè)已知的后視點(diǎn)三維坐標(biāo)(北、東和高程)，將全站儀依次旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)兩點(diǎn)，測量其角度，軟件自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)自身位置，即測量光心的坐標(biāo)(北、東和高程)，并得到相對坐標(biāo)系的北方向，然后自動(dòng)將方位角數(shù)據(jù)清零，轉(zhuǎn)向北方向，完成放樣裝置的自身定位。
(3)在圖形化界面下輸入隧道軸線數(shù)據(jù)14，輸入斷面數(shù)據(jù)與鉆爆方案15(斷面炮孔設(shè)計(jì)方案)；具體操作為，以表格填寫的方式輸入隧道的起始點(diǎn)坐標(biāo)、類型(包括直線和圓弧型)、坡度和長度參數(shù)，圓弧型隧道還要輸入圓心、半徑參數(shù)，表格可輸入任意多段隧道；然后以圖形操作方式繪制斷面的二維形狀，輸入特征點(diǎn)和炮孔位置(X、Y)，以及隧道軸線與開挖斷面交點(diǎn)的相對坐標(biāo)X0、Y0；(4)測量斷面距離、角度16，測量當(dāng)前開挖工作斷面的距離和測量點(diǎn)角度?？刂迫緝x旋轉(zhuǎn)、指向當(dāng)前開挖工作斷面，配合棱鏡測量距離和測量點(diǎn)角度；軟件自動(dòng)基于已經(jīng)輸入的隧道軸線三維數(shù)據(jù)，計(jì)算得到開挖斷面輪廓的特征點(diǎn)(起拱點(diǎn)，頂點(diǎn)和邊墻正負(fù)零點(diǎn)等)以及炮孔的三維坐標(biāo)；(5)計(jì)算輪廓線特征點(diǎn)和炮孔的全站儀旋轉(zhuǎn)角17。軟件根據(jù)系統(tǒng)自身定位的數(shù)據(jù)，計(jì)算開挖斷面輪廓的特征點(diǎn)及炮孔對應(yīng)的全站儀旋轉(zhuǎn)水平H角和垂直V角；在圖形界面鼠標(biāo)控制下根據(jù)放樣點(diǎn)順序依次向全站儀發(fā)送全站儀旋轉(zhuǎn)請求18，判斷全站儀是否旋轉(zhuǎn)正常并應(yīng)答19，如果全站儀沒有正常應(yīng)答，則進(jìn)入出錯(cuò)處理，提示排除硬件故障或者更改軟件設(shè)置，如放樣的時(shí)間間隔等；在無線通信和全站儀工作正常情況下，激光束即可正確指示需要定位的輪廓線點(diǎn)和炮孔位置，開挖操作人員可據(jù)此進(jìn)行標(biāo)記、鉆孔，然后判斷是否所有點(diǎn)都已放樣完畢21，如果尚有放樣點(diǎn)待處理，則返回步驟17，計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，否則進(jìn)入放樣完成輸出圖形記錄22。
(6)放樣完成輸出圖形記錄22，放樣全部完成，軟件自動(dòng)輸出放樣的結(jié)果，以圖形形式輸出放樣的輪廓線和炮孔，可打印存檔，提供數(shù)據(jù)文件記錄。
上面描述的是完整的放樣裝置操作流程，當(dāng)隧道開挖斷面不斷向前推進(jìn)時(shí)，放樣裝置本身沒有移動(dòng)的情況下，在操作上則可以跳過步驟13、14、15，確定放樣裝置正常工作后，直接測量新的開挖斷面16，進(jìn)行新一輪放樣操作。
權(quán)利要求
1.一種隧道激光放樣裝置，包括計(jì)算機(jī)(1)、全站儀(2)、半導(dǎo)體激光器(3)和無線通信器(4)，其特征在于，計(jì)算機(jī)(1)內(nèi)部裝有控制軟件，計(jì)算機(jī)(1)與無線通信器(4)通過串行口(7)連接，全站儀(2)與無線通信器(5)通過串行口(8)連接，半導(dǎo)體激光器(3)安裝在全站儀(2)的測距轉(zhuǎn)動(dòng)頭(6)內(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道激光放樣裝置，其特征在于激光器(3)光軸與全站儀(2)測量光軸平行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種隧道無線激光放樣裝置，該激光放樣裝置由計(jì)算機(jī)、伺服型電子全站儀、半導(dǎo)體激光器和無線通信器組成。計(jì)算機(jī)串行口與無線通信器連接，全站儀與無線通信器通過串行口連接，半導(dǎo)體激光器安裝在全站儀的測距轉(zhuǎn)動(dòng)部分內(nèi)部。系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)軟件控制下完成系統(tǒng)自身定位，隧道軸線數(shù)據(jù)、開挖斷面和鉆爆方案數(shù)據(jù)輸入，斷面測量，斷面輪廓及炮孔定位放樣的工作流程。該儀可自動(dòng)地處理任意的曲線隧道、任意斷面形態(tài)及鉆爆方案，快速準(zhǔn)確地利用激光束指示開挖，適用于包括隧道開挖在內(nèi)的各類地下工程施工。
文檔編號G01C15/00GK101067375SQ20071005234
公開日2007年11月7日 申請日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者劉泉聲, 張程遠(yuǎn), 劉小燕 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所